一種基于自適應(yīng)法抑制鉆桿粘滑振動的系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于自適應(yīng)法抑制鉆桿粘滑振動的系統(tǒng)及方法，包括：1)變頻器通過PLC控制系統(tǒng)給出設(shè)定的電機(jī)主給定轉(zhuǎn)速，傳輸至被控對象，驅(qū)動鉆桿起轉(zhuǎn)；2)變頻器通過CAN總線將電機(jī)實際轉(zhuǎn)速和電機(jī)實際扭矩傳輸至控制單元；3)控制單元將鉆頭轉(zhuǎn)速結(jié)合電機(jī)主給定轉(zhuǎn)速進(jìn)行優(yōu)化算法，得到輔給定優(yōu)化轉(zhuǎn)速；4)控制單元通過CAN總線將輔給定優(yōu)化轉(zhuǎn)速傳輸至變頻器，與電機(jī)主給定轉(zhuǎn)速相疊加，疊加轉(zhuǎn)速控制驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速，該方法能夠準(zhǔn)確地獲取被控對象參數(shù)，實時顯示電機(jī)實際轉(zhuǎn)速和實際扭矩，從而達(dá)到抑制鉆桿粘滑振動的目的。
【專利說明】一種基于自適應(yīng)法抑制鉆桿粘滑振動的系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于石油鉆井、地質(zhì)勘探等【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種基于自適應(yīng)法、總線通信技術(shù)和人機(jī)交互技術(shù)來抑制鉆桿粘滑振動的系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石油鉆井過程中由于地層復(fù)雜、鉆桿運動不確定，容易發(fā)生鉆桿振動，包括鉆桿的橫向振動、軸向振動和粘滑振動。其中，粘滑振動是由于鉆頭與地層的摩擦力矩引起的扭矩振蕩，鉆頭速度或?；蜣D(zhuǎn)，瞬間轉(zhuǎn)速非常大，易造成鉆桿和鉆頭的性能惡化；該現(xiàn)象不僅影響鉆井效率也威脅到鉆井的安全，因此需要采取合理的方法來抑制粘滑振動。
[0003]針對粘滑振動，減振途徑和措施主要有:(I)增大頂部轉(zhuǎn)速；(2)增大系統(tǒng)等效扭轉(zhuǎn)剛度；(3)增大系統(tǒng)等效阻尼；(4)頂部扭矩負(fù)反饋。
[0004]目前國外已經(jīng)開發(fā)了一些抑制粘滑振動的方法和系統(tǒng)。
[0005]2004年Navarro-Lo' pez和Suarez-Cortez提出在鉆桿底部安裝減振器；2000年，Richardson和Kiittel提出了在鉆具組合上安裝液壓扭矩驅(qū)動系統(tǒng)。但是這些方法都增加了鉆桿系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本，且使用時不具有通用性。
[0006]1988年Halsey, Kyllingstad和Kylling提出了鉆桿扭矩負(fù)反饋的方法；2005年Canudas-de-ffit et al提出了鉆井振動克星Drilling Oscillation Killer (D-OSKIL),它利用鉆頭上的重量作為附加的控制參數(shù)。這些方法有的并不成熟，使用效果也并不十分理想。國內(nèi)目前在領(lǐng)域的研究還比較欠缺，所以這方面的研究開發(fā)具有很好的工程應(yīng)用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是針對石油鉆井中常發(fā)生的粘滑振動現(xiàn)象，提供一種基于自適應(yīng)法抑制鉆桿粘滑振動的系統(tǒng)及方法，采用本發(fā)明的系統(tǒng)，實時顯示電機(jī)實際轉(zhuǎn)速和電機(jī)實際扭矩曲線及數(shù)值，能夠發(fā)出轉(zhuǎn)速命令來控制驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而抑制鉆桿和鉆具組合的扭矩振蕩和轉(zhuǎn)速振蕩。該系統(tǒng)解決了現(xiàn)有技術(shù)中硬件連接復(fù)雜、系統(tǒng)工作不穩(wěn)定、實現(xiàn)效果不理想的問題。
[0008]為了實現(xiàn)上述技術(shù)方案，本發(fā)明采取如下技術(shù)解決方案:
[0009]一種基于自適應(yīng)法抑制鉆桿粘滑振動的系統(tǒng)，包括:
[0010]—被控對象，包括驅(qū)動電機(jī)連接的齒輪箱，以及由齒輪箱帶動的鉆桿和鉆具組合，用于實現(xiàn)石油鉆井；
[0011]——變頻器，包括PLC控制系統(tǒng)，PLC控制系統(tǒng)控制驅(qū)動電機(jī)的啟動、停止和調(diào)速的工作狀態(tài)，并能夠設(shè)定電機(jī)主給定轉(zhuǎn)速，變頻器將驅(qū)動電機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)反饋至控制單元;
[0012]—控制單元，包括自適應(yīng)控制器，用于對驅(qū)動電機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行控制調(diào)整，抑制鉆桿和鉆具組合的扭矩振蕩和轉(zhuǎn)速振蕩；
[0013]——人機(jī)交互裝置，包括ARM芯片，完成控制單元的數(shù)據(jù)管理、人機(jī)操控；[0014]—CAN總線，用于實現(xiàn)變頻器與控制單元的自由通信；
[0015]所述變頻器與驅(qū)動電機(jī)連接，驅(qū)動電機(jī)與由齒輪箱帶動的鉆桿和鉆具組合相連，變頻器通過CAN總線連接控制單元，控制單元通過串口連接人機(jī)交互裝置。
[0016]進(jìn)一步地，所述自適應(yīng)控制器包括參數(shù)估計器和控制器，參數(shù)估計器與控制器相連，控制器與變頻器連接，變頻器連接至被控對象，被控對象分別連接控制器和參數(shù)估計器。
[0017]相應(yīng)地，本發(fā)明進(jìn)而給出了自適應(yīng)法抑制鉆桿粘滑振動的系統(tǒng)的控制方法，該方法包括下述步驟:
[0018]I)變頻器通過PLC控制系統(tǒng)給出設(shè)定的電機(jī)主給定轉(zhuǎn)速，傳輸至被控對象，驅(qū)動鉆桿起轉(zhuǎn)；
[0019]2)變頻器通過CAN總線將電機(jī)實際轉(zhuǎn)速和電機(jī)實際扭矩傳輸至控制單元；
[0020]3)控制單元將鉆頭轉(zhuǎn)速結(jié)合電機(jī)主給定轉(zhuǎn)速進(jìn)行優(yōu)化算法，得到輔給定優(yōu)化轉(zhuǎn)速，并用最大轉(zhuǎn)速來對輔給定優(yōu)化轉(zhuǎn)速進(jìn)行限幅；
[0021]4)控制單元通過CAN總線將限幅后的輔給定優(yōu)化轉(zhuǎn)速傳輸至變頻器，電機(jī)主給定轉(zhuǎn)速和限幅后的輔給定 優(yōu)化轉(zhuǎn)速的疊加值共同控制鉆桿和鉆具組合的旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，抑制鉆桿粘滑振動；
[0022]5)同時，人機(jī)交互裝置實時地保存和顯示電機(jī)實際轉(zhuǎn)速和電機(jī)實際扭矩數(shù)據(jù)。
[0023]進(jìn)一步地，所述控制單元的優(yōu)化運算是通過下述方法來實現(xiàn)的:
[0024]a)構(gòu)建參數(shù)估計器，參數(shù)估計器根據(jù)觀測到的被控對象的輸入輸出數(shù)據(jù)獲取被控對象的參數(shù)估計值，參數(shù)估計器通過最小二乘參數(shù)估計算法來實現(xiàn)；
[0025]b)構(gòu)建控制器，控制器由最小方差控制律來實現(xiàn)，控制器根據(jù)控制器參數(shù)以及控制誤差來計算得到電機(jī)控制轉(zhuǎn)速，結(jié)合電機(jī)主給定轉(zhuǎn)速得到輔給定優(yōu)化轉(zhuǎn)速。
[0026]進(jìn)一步地，所述最小二乘參數(shù)估計算法得到被控對象的參數(shù)估計值的方法如下:
[0027]①給出被控對象的二階表達(dá)式:
[0028]y (k+d) = a0y (k) +a^ (k~l) +b0u (k) +b^ (k~l) +e (k+d) (I)
[0029]式中，u(k)、y (k)分別為第k次采樣時的電機(jī)控制轉(zhuǎn)速和鉆頭轉(zhuǎn)速，a0> B1 > b0> b1分別為模型參數(shù)，e (k+d)中，e(k)為第k次采樣時的控制誤差，d為信號傳輸時延采樣周期數(shù)；
[0030]②令k= I，給定k時刻以前的輸入輸出歷史值，即u (O)和y(0)；
[0031]③采樣kT(k = 0，1，2，…，T為采樣周期)時刻的u(k)、y(k)值；
[0032]④根據(jù)式下⑵、(3)組建觀測數(shù)據(jù)向量Xt (k)和Xt (k-d)
[0033]xT (k) = [y (k) u(k_l)] (2)
[0034]xT (k-d) = [y (k-d) u (k-d-1) u (k-d-1) ] (3)
[0035]⑤給定P(k)、§(k)的初始值P(0)、§(0)，根據(jù)下式(4)、(5)、(6)計算模型參數(shù)估計值§(k):
[0036]
【權(quán)利要求】
1.一種基于自適應(yīng)法抑制鉆柱粘滑振動的系統(tǒng)，其特征在于，包括: —被控對象，包括驅(qū)動電機(jī)、齒輪箱，以及由齒輪箱帶動的鉆柱和井底鉆具組合，用于實現(xiàn)油井鉆進(jìn)； ——變頻器，包括PLC控制系統(tǒng)，控制驅(qū)動電機(jī)的啟動、停止和調(diào)速的工作狀態(tài)，設(shè)定電機(jī)主給定轉(zhuǎn)速，并且將驅(qū)動電機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)反饋至控制單元； ——控制單元，包括自適應(yīng)控制器，用于對驅(qū)動電機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行控制調(diào)整，抑制鉆柱和井底鉆具組合的扭矩振蕩和轉(zhuǎn)速振蕩； ——人機(jī)交互裝置，包括ARM芯片，完成控制單元的數(shù)據(jù)管理、人機(jī)操控； ——CAN總線，用于實現(xiàn)變頻器與控制單元的自由通信； 所述變頻器輸出與驅(qū)動電機(jī)相連，驅(qū)動電機(jī)通過齒輪箱驅(qū)動鉆柱和井底鉆具組合；變頻器輸入通過CAN總線連接控制單元，控制單元通過串口連接人機(jī)交互裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述自適應(yīng)控制器包括參數(shù)估計器和控制器，參數(shù)估計器與控制器相連，控制器與變頻器連接，變頻器連接至被控對象，被控對象反饋至控制器和參數(shù)估計器。
3.基于權(quán)利要求1所述自適應(yīng)法抑制鉆柱粘滑振動系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，該方法包括下述步驟: 1)變頻器通過PLC控制系統(tǒng)給出設(shè)定的電機(jī)主給定轉(zhuǎn)速，傳輸至被控對象，驅(qū)動鉆桿起轉(zhuǎn)； 2)變頻器通過CAN總線將電機(jī)實際轉(zhuǎn)速和電機(jī)實際扭矩傳輸至控制單元； 3)控制單元將鉆頭轉(zhuǎn)速結(jié)合電機(jī)主給定轉(zhuǎn)速進(jìn)行優(yōu)化算法，得到輔給定優(yōu)化轉(zhuǎn)速，并用最大轉(zhuǎn)速來對輔給定優(yōu)化轉(zhuǎn)進(jìn)行限幅； 4)控制單元通過CAN總線將限幅后的輔給定優(yōu)化轉(zhuǎn)速傳輸至變頻器，電機(jī)主給定轉(zhuǎn)速和限幅后的輔給定優(yōu)化轉(zhuǎn)速的疊加值共同控制鉆桿和鉆具組合的旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，抑制鉆桿粘滑振動； 5)同時，人機(jī)交互裝置實時地保存和顯示電機(jī)實際轉(zhuǎn)速和電機(jī)實際扭矩數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述控制單元的優(yōu)化運算是通過下述方法來實現(xiàn)的: a)構(gòu)建參數(shù)估計器，參數(shù)估計器根據(jù)觀測到的被控對象的輸入輸出數(shù)據(jù)獲取被控對象的參數(shù)估計值，參數(shù)估計器通過最小二乘參數(shù)估計算法來實現(xiàn)； b)構(gòu)建控制器，控制器由最小方差控制律來實現(xiàn)，控制器根據(jù)控制器參數(shù)以及控制誤差來計算得到電機(jī)控制轉(zhuǎn)速，結(jié)合電機(jī)主給定轉(zhuǎn)速得到輔給定優(yōu)化轉(zhuǎn)速。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述最小二乘參數(shù)估計算法得到被控對象的參數(shù)估計值的方法如下: ①給出被控對象的二階表達(dá)式:
y (k+d) = a0y (k) +aj (k_l) +b0u (k) +Id1U (k_l) +e (k+d) (I) 式中，u(k)、y (k)分別為第k次采樣時的電機(jī)控制轉(zhuǎn)速和鉆頭轉(zhuǎn)速，a0> B1 > b0> Id1分別為模型參數(shù)，e(k+d)中，e(k)為第k次采樣時的控制誤差，d為信號傳輸時延采樣周期數(shù)； ②令k=I，給定k時刻以前的輸入輸出歷史值，即U(O)和y(0)； ③采樣kT(k= 0，1，2，…，T為采樣周期)時刻的u(k)、y(k)值；④根據(jù)下式(2)、(3)組建觀測數(shù)據(jù)向量xT(k)和xT(k-d) xT (k) = [y (k) u(k-l)] (2)
xT (k-d) = [y (k-d) u(k-d_l) u (k-d-1) ] (3) ⑤給定P(k)、§00的初始值P(O)、§(0)，根據(jù)下式(4)、(5)、(6)計算模型參數(shù)估計值0(k):
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述通過控制器通過最小方差控制律得到輔給定優(yōu)化轉(zhuǎn)速，通過如下方式實現(xiàn): ①選擇最小方差控制律，即系統(tǒng)輸出方差J最小:
J = E{[y (k+d)-yr (k+d) ]2} (7) 式中，y(k+d)為第k次采樣時的鉆頭轉(zhuǎn)速，yjk+d)為第k+d次采樣時的電機(jī)主給定轉(zhuǎn)速； ②利用最小方差控制律，計算得到電機(jī)控制轉(zhuǎn)速u(k):
【文檔編號】E21B44/04GK103941632SQ201410177583
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月29日
【發(fā)明者】付蒙, 李江紅, 伍志強(qiáng), 孫大鵬, 劉琳, 劉旭禮, 姜慶巍, 章莉敏 申請人:西北工業(yè)大學(xué), 盤錦遼河油田天意石油裝備有限公司